stringtranslate.com

Эпидемиология болезней растений

Эпидемиология болезней растений — это изучение болезней в популяциях растений. Подобно болезням людей и других животных, болезни растений возникают из-за патогенов, таких как бактерии , вирусы , грибы , оомицеты , нематоды , фитоплазмы , простейшие и паразитические растения . [1] Эпидемиологи болезней растений стремятся понять причины и последствия болезней и разрабатывают стратегии вмешательства в ситуациях, когда могут произойти потери урожая. Для обнаружения болезней у растений используются деструктивные и недеструктивные методы. Кроме того, понимание реакций иммунной системы у растений принесет дополнительную пользу и ограничит потери урожая. Обычно успешное вмешательство приводит к достаточно низкому уровню болезней, который будет приемлемым, в зависимости от ценности урожая.

Эпидемиология болезней растений часто рассматривается с точки зрения междисциплинарного подхода, требующего биологических , статистических , агрономических и экологических перспектив. Биология необходима для понимания патогена и его жизненного цикла. Она также необходима для понимания физиологии сельскохозяйственной культуры и того, как патоген оказывает на нее неблагоприятное воздействие. Агрономические методы часто влияют на заболеваемость в лучшую или худшую сторону. Экологические влияния многочисленны. Местные виды растений могут служить резервуарами для патогенов, вызывающих заболевания сельскохозяйственных культур. Статистические модели часто применяются для того, чтобы обобщить и описать сложность эпидемиологии болезней растений, чтобы процессы заболевания можно было легче понять. [2] [3] Например, сравнение моделей развития болезней для различных болезней, сортов, стратегий управления или экологических условий может помочь в определении того, как лучше всего бороться с болезнями растений. Политика может оказывать влияние на возникновение болезней посредством таких действий, как ограничения на импорт из источников, где возникает болезнь.

В 1963 году JE van der Plank опубликовал «Болезни растений: эпидемии и контроль», предоставив теоретическую основу для изучения эпидемиологии болезней растений. [4] Эта книга предоставляет теоретическую основу, основанную на экспериментах во многих различных системах патогенов-хозяев, и быстро продвигает вперед изучение эпидемиологии болезней растений, особенно грибковых лиственных патогенов. Используя эту основу, мы теперь можем моделировать и определять пороговые значения для эпидемий, которые происходят в однородной среде, такой как монокультурное поле. [4]

Элементы эпидемии

Эпидемии болезней растений могут привести к огромным потерям в урожайности культур, а также угрожать уничтожением целого вида , как это было в случае с голландской болезнью вяза и может произойти с внезапной смертью дуба . Эпидемия фитофтороза картофеля, вызванная Phytophthora infestans , привела к Великому ирландскому голоду и потере многих жизней. [5]

Обычно элементы эпидемии называют «треугольником болезни»: восприимчивый хозяин, патоген и благоприятная среда. [1] [ нужна страница ] Для возникновения болезни должны присутствовать все три элемента. Ниже приведена иллюстрация этого момента. Там, где встречаются все три элемента, возникает болезнь. Четвертый элемент, которого не хватает в этой иллюстрации для возникновения эпидемии, — это время. Пока присутствуют все три элемента, болезнь может начаться, эпидемия наступит только в том случае, если все три будут присутствовать. Однако любой из трех может быть удален из уравнения. Хозяин может перерасти восприимчивость, как в случае устойчивости взрослых растений к высоким температурам, [6] окружающая среда изменяется и не способствует тому, чтобы патоген вызывал заболевание, или патоген контролируется с помощью применения фунгицида.

Иногда добавляется четвертый фактор времени, поскольку время, в течение которого происходит конкретная инфекция, и продолжительность времени, в течение которого условия остаются жизнеспособными для этой инфекции, также могут играть важную роль в эпидемиях. [1] [ нужна страница ] Возраст видов растений также может играть роль, поскольку некоторые виды изменяют свой уровень устойчивости к болезням по мере созревания; в процессе, известном как онтогенетическая устойчивость. [1]

Если не соблюдены все критерии, например, присутствуют восприимчивый хозяин и патоген, но окружающая среда не способствует заражению патогеном и возникновению заболевания, заболевание не может возникнуть. Например, кукуруза высаживается на поле с остатками кукурузы, на которых есть грибок Cercospora zea-maydis , возбудитель серой пятнистости листьев кукурузы, но если погода слишком сухая и нет увлажнения листьев, споры грибка в остатках не могут прорасти и инициировать заражение. [ необходима цитата ]

Аналогично, если хозяин восприимчив и окружающая среда благоприятствует развитию болезни, но патоген отсутствует, то болезнь не наступает. Принимая во внимание пример выше, кукуруза высаживается на вспаханном поле, где нет остатков кукурузы с грибком Cercospora zea-maydis , возбудителем серой пятнистости листьев кукурузы, но погода предполагает длительные периоды увлажнения листьев, заражение не начинается.

Если для распространения патогена необходим переносчик, то для возникновения эпидемии переносчик должен быть многочисленным и активным.

Типы эпидемий

Возбудители вызывают моноциклические эпидемии с низким уровнем рождаемости и смертности , то есть у них бывает только один цикл заражения за сезон. Они типичны для болезней, передающихся через почву, таких как фузариозное увядание льна . Полициклические эпидемии вызываются возбудителями, способными к нескольким циклам заражения за сезон. Чаще всего они вызываются болезнями, передающимися воздушно-капельным путем, такими как мучнистая роса . Также могут возникать бимодальные полициклические эпидемии. Например, при бурой гнили косточковых плодов цветки и плоды заражаются в разное время. [ необходима ссылка ]

Для некоторых заболеваний возникновение заболевания необходимо оценивать в течение нескольких вегетационных сезонов, особенно при выращивании культур в монокультуре год за годом или выращивании многолетних растений . Такие условия могут означать, что инокулят, произведенный в один сезон, может быть перенесен в следующий, что приведет к накоплению в течение многих лет, особенно в тропиках , где нет четких разрывов между вегетационными сезонами. [ необходима цитата ]

Эпидемии при таких условиях называются полиэтическими ; они могут быть вызваны как моноциклическими, так и полициклическими патогенами. Мучнистая роса яблони является примером полиэтической эпидемии, вызванной полициклическим патогеном; голландская болезнь вяза является полиэтической эпидемией, вызванной моноциклическим патогеном.

Выявление заболеваний

Существует множество различных способов обнаружения болезни как деструктивным, так и недеструктивным способом. Для того чтобы понять причину, последствия и лечение болезни, недеструктивный метод более предпочтителен. Это методы, в которых подготовка образцов и/или повторяющиеся процессы не являются необходимыми для измерения и наблюдения за состоянием здоровья растений. [7] Недеструктивные подходы могут включать обработку изображений, основанные на визуализации, основанные на спектроскопии и дистанционном зондировании.

Фотография, цифровая обработка изображений и технология анализа изображений являются полезными инструментами для настройки обработки изображений. Ценные данные извлекаются из этих изображений, а затем анализируются на предмет заболеваний. Но перед тем, как произойдет какой-либо анализ, получение изображения является первым шагом. И в рамках этого шага содержится три этапа. Во-первых, это энергия, которая является источником света, освещающего интересующий объект. Во-вторых, это оптическая система, такая как камера, для фокусировки на энергии. В-третьих, это энергия, измеряемая датчиком. Чтобы продолжить обработку изображений, есть предварительный процесс, в котором можно убедиться, что нет таких факторов, как фон, размер, форма листа, свет и камера, которые влияют на анализ. После предварительной обработки используется сегментация изображения, чтобы разделить изображение на области заболевания и не заболевания. На этих изображениях есть особенности цвета, текстуры и формы, которые можно извлечь и использовать для анализа. [7]

Подходы на основе визуализации для обнаружения имеют два основных метода: флуоресцентную визуализацию и гиперспектральную визуализацию. Флуоресцентная визуализация помогает определить метаболические условия растения. Для этого используется инструмент для подачи света на хлорофилловый комплекс растения. [7] Гиперспектральная визуализация используется для получения отраженных изображений. Такие методы состоят из спектральной информационной дивергенции (SID), где он может оценить спектральную отражательную способность, глядя на диапазоны длин волн. [7]

Другим неразрушающим подходом является спектроскопия. Здесь задействованы электромагнитный спектр и материя. Существуют видимая и инфракрасная спектроскопия, флуоресцентная спектроскопия и электроимпедансная спектроскопия. Каждая спектроскопия дает информацию, включающую типы энергии излучения, типы материалов, природу взаимодействия и многое другое. [7]

Наконец, последний неразрушающий подход — это применение дистанционного зондирования при болезнях растений. Это когда данные получаются без необходимости находиться рядом с растением во время наблюдения. Дистанционное зондирование бывает гиперспектральным и мультиспектральным. Гиперспектральное помогает обеспечить высокое спектральное и пространственное разрешение. Мультиспектральное дистанционное зондирование обеспечивает тяжесть заболевания. [7]

По состоянию на 2015 год существует необходимость в дальнейшей разработке тестов на антитела и молекулярные маркеры для выявления новых патогенов и выявления известных патогенов у новых хозяев, а также необходимость в дальнейшей глобальной интеграции карантина и надзора . [8]

Иммунная система

Растения могут показывать множество признаков или физических доказательств грибковых, вирусных или бактериальных инфекций. Это может варьироваться от ржавчины или плесени до полного отсутствия признаков, когда патоген вторгается в растение (происходит при некоторых вирусных заболеваниях растений). [9] Симптомы, которые являются видимыми последствиями болезней для растения, состоят из изменений цвета, формы или функции. [9] Эти изменения в растении координируются с его реакцией на патогены или чужеродные организмы, которые отрицательно влияют на его систему. Несмотря на то, что у растений нет клеток, которые могут двигаться и бороться с чужеродными организмами, и у них нет соматической адаптивной иммунной системы, у них есть и они зависят от врожденного иммунитета каждой клетки и от системных сигналов. [10]

В ответ на инфекции растения имеют двухветвистую врожденную иммунную систему. Первая ветвь должна распознавать и реагировать на молекулы, которые похожи на классы микробов, включая непатогенные. [11] С другой стороны, вторая ветвь реагирует на факторы вирулентности патогенов, напрямую или косвенно по отношению к хозяину. [11]

Рецепторы распознавания образов (PRR) активируются путем распознавания патогенных или микробно-ассоциированных молекулярных образов, известных как PAMP или MAMP. Это приводит к PAMP-Triggered Immunity или Pattern-Triggered Immunity (PTI), где PRR вызывают внутриклеточную сигнализацию, транскрипционное перепрограммирование и биосинтез сложного выходного ответа, который снижает колонизацию. [11]

Кроме того, гены R, также известные как эффектор-активируемый иммунитет , активируются специфическими патогенными «эффекторами», которые могут вызывать сильную антимикробную реакцию. [11] Как PTI, так и ETI помогают в защите растений посредством активации DAMP, который является компонентом, ассоциированным с повреждением. [11] Клеточные изменения или изменения в экспрессии генов активируются посредством управления ионными каналами, окислительного взрыва, клеточных окислительно-восстановительных изменений или каскадов протеинкиназ через рецепторы PTI и ETI. [11]

Влияние

К 2013 году инвазивные болезни деревьев уничтожили около 100 миллионов вязов в Великобритании и США , а также 3,5 миллиарда американских каштанов . [12]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Агриос, Джордж (2005). Патология растений . Academic Press. ISBN 978-0-12-044565-3.
  2. ^ Arneson, PA (2001). "Plant disease epidemiology: temporal aspects". Plant Health Instructor . American Phytopathological Society. doi :10.1094/PHI-A-2001-0524-01 (неактивен 1 ноября 2024 г.). Архивировано из оригинала 2008-02-23.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)
  3. ^ Мэдден, Лоуренс; Гарет Хьюз; Фрэнк Ван Ден Бош (2007). Исследование эпидемий болезней растений . Американское фитопатологическое общество. ISBN 978-0-89054-354-2.
  4. ^ ab Drenth, A. (2004). «Грибные эпидемии – имеет ли значение пространственная структура?». New Phytologist . 163 (1). Blackwells: 4–7. doi : 10.1111/j.1469-8137.2004.01116.x . PMID  33873785.
  5. ^ Ó Града, Кормак (2006) Великий голод в Ирландии , Университетский колледж Дублина, ISBN 978-1-9045-5858-3 , стр. 7 
  6. ^ Шульц, ТР; Лайн, РФ (1992). «Высокотемпературная устойчивость взрослых растений к желтой ржавчине пшеницы и ее влияние на компоненты урожайности». Журнал агрономии . 84 (2). Американское общество агрономии : 170–175. Bibcode : 1992AgrJ...84..170S. doi : 10.2134/agronj1992.00021962008400020009x. S2CID  84879649.
  7. ^ abcdef Али, Маймуна Мохд; Бачик, Нур Азиза; Мухади, Нур Атира; Туан Юсоф, Туан Норизан; Гомес, Чандима (декабрь 2019 г.). «Неразрушающие методы обнаружения болезней растений: обзор». Физиологическая и молекулярная патология растений . 108 : 101426. doi :10.1016/j.pmpp.2019.101426. S2CID  199635227.
  8. ^ Беббер, Дэниел П.; Гурр, Сара Дж. (2015). «Уничтожающие урожай патогены грибков и оомицетов бросают вызов продовольственной безопасности». Fungal Genetics and Biology . 74. Academic Press : 62–64. doi :10.1016/j.fgb.2014.10.012. ISSN  1087-1845. PMID  25459533 .
  9. ^ ab «Признаки и симптомы болезней растений: грибковые, вирусные или бактериальные?». Расширение MSU . 19 декабря 2012 г. Получено 10 июня 2020 г.
  10. ^ "Болезнь растений: патогены и циклы". CropWatch . 2016-12-19 . Получено 2020-06-10 .
  11. ^ abcdef Джонс, Джонатан ДГ; Дангл, Джеффри Л. (2006-11-16). «Иммунная система растений». Nature . 444 (7117): 323–329. Bibcode :2006Natur.444..323J. doi : 10.1038/nature05286 . PMID  17108957.
  12. ^ Фишер, Мэтью К.; Хенк, Дэниел А.; Бриггс, Шерил Дж.; Браунштейн, Джон С.; Мейдофф, Лоуренс К.; Маккроу, Сара Л.; Гурр, Сара Дж. (2012). «Возникающие грибковые угрозы здоровью животных, растений и экосистем». Nature . 484 (7393). Nature Portfolio : 186–194. Bibcode :2012Natur.484..186F. doi :10.1038/nature10947. ISSN  0028-0836. PMC 3821985 . PMID  22498624. S2CID  4379694. (MCF ORCID 0000-0002-1862-6402 RID B-9094-2011). (DAH GS AbPV6MYAAAAJ ORCID 0000-0002-1142-3143 Publons 4361029). (CJB RID F-7456-2013). (SJG ORCID 0000-0002-4821-0635) . НИХМСИД 514851. 

Дальнейшее чтение

Эпидемиология болезней сельскохозяйственных культур

  • «Глобальная система надзора за сельскохозяйственными культурами, оплот против болезней». Emerging Pathogens Institute . University of Florida . 2019-07-11 . Получено 2021-02-12 .

Внешние ссылки